廢氣重整制氫再循環(huán)技術(shù)在改善天然氣發(fā)動機動力性和排放特性的同時,提升了發(fā)動機整體的經(jīng)濟性,受到廣泛關注。而廢氣-燃料混合氣重整制氫反應過程直接影響著天然氣發(fā)動機的摻氫燃燒過程,因此,本文以固定床廢氣重整反應器為研究對象,通過耦合甲烷詳細催化反應動力學機理,利用數(shù)值模擬的手段對反應器內(nèi)多孔催化反應區(qū)的反應特性進行了研究。首先,本文通過離散元法構(gòu)建了顆粒隨機堆積三維幾何模型,給出了廢氣-燃料混合氣體在反應器內(nèi)的三維反應特性。研究結(jié)果顯示,固定床廢氣重整反應器內(nèi)多孔催化反應區(qū)局部孔隙率分布的不均勻性使得反應器內(nèi)重整混合氣體流場、溫度場以及主要氣相組分濃度場在軸向和徑向上均呈現(xiàn)出較大的差異,混合氣體進入反應區(qū)后在反應器前端主要涉及有氧化重整反應、水蒸氣重整反應以及水煤氣轉(zhuǎn)換反應,隨著軸向距離的增加,反應器內(nèi)氧氣濃度逐漸減小,氧化重整反應的比例不斷減少,同時重整反應過程中C(s)活性位點逐漸增加,反應過程中積碳量不斷增加。隨后運用多孔介質(zhì)模型對多孔催化反應區(qū)進行簡化,探究了不同初始條件下廢氣-燃料重整制氫反應特性。研究結(jié)果顯示,隨著空速比的增加,甲烷的重整率及反應器出口氫氣質(zhì)量分數(shù)不斷減小,而H_2/CO摩爾比呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,而甲烷比例的增加使得單位質(zhì)量甲烷產(chǎn)氫比逐漸增加,H_2/CO摩爾比不斷減小。當混合氣中水蒸氣比例增加時,相應地甲烷的重整率不斷增加,而反應器出口處的氫氣摩爾分數(shù)出現(xiàn)小幅變化。當管壁溫度增加時,甲烷的重整率呈指數(shù)型增長,然而H_2/CO摩爾比不斷減小。此外,孔隙率變化對于甲烷的重整率影響較小,然而廢氣-燃料混合氣體流經(jīng)固定床廢氣重整反應器時壓降則不斷增大。
【學位單位】：武漢理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TK402
【部分圖文】：

明摻氫燃燒可以拓寬天然氣穩(wěn)定性增加，發(fā)動機排氣持在較低水平范圍內(nèi)，發(fā)動。產(chǎn)成本以及儲運困難使得天制氫再循環(huán)，通過置于排氣未燃 HC、CO2、N2、O2和 H富氫混合氣，并將重整氣循術(shù)回收了部分廢氣余熱，生不需進一步處理可直接充入溫燃燒，因此廢氣重整再循示�；鸹ㄈ麖U氣總管進氣管燃料供給

合各主要組分質(zhì)量分數(shù)及其凈反應速率在固定床廢氣重整反應器單管內(nèi)軸布規(guī)律，探究廢氣-燃料重整制氫反應過程中涉及到的反應類型，分析重整過程中的積碳效應。3）不同邊界條件下廢氣-燃料重整制氫反應特性研究利用多孔介質(zhì)模型對固定床廢氣重整反應器單管模型進行簡化，通過改速比、甲烷-廢氣摩爾比、進氣溫度以及孔隙率等參數(shù)，從多方面探究不同條件下甲烷重整率以及氫氣選擇性等目標參數(shù)的變化規(guī)律，實現(xiàn)重整器相數(shù)的優(yōu)化，為后期重整器整體設計以及與發(fā)動機匹配運行提供參考。1.3.2 擬采用的研究方法、技術(shù)路線基于以上研究內(nèi)容，本文通過離散元法生成顆粒球隨機堆積幾何模型，通過數(shù)值模擬軟件耦合甲烷催化反應機理，探究固定床廢氣重整反應器內(nèi)-燃料重整反應三維分布特性，同時運用多孔介質(zhì)模型研究了不同初始條件整制氫反應過程的變化規(guī)律。本文的技術(shù)路線如下圖 1.2 所示：

19圖 2.2 固定床廢氣重整反應器三維結(jié)構(gòu)示意圖通過離散元法得到圓管內(nèi)顆粒球堆積穩(wěn)定結(jié)構(gòu)時，顆粒球幾何位置信以確定。根據(jù)顆粒球坐標信息及其幾何尺寸，結(jié)合模擬過程中進口段的影響[50]，通過幾何建模及網(wǎng)格生成軟件 Gambit 2.4 建立的固定床反幾何模型如圖 2.2 所示。由廢氣-燃料組成的混合氣體左端進入反應器顆粒球表面 Rh 基催化劑催化作用下發(fā)生表面反應，經(jīng)反應器出口端一部分廢氣則通過與管壁之間的換熱向管內(nèi)的重整反應提供部分熱量
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